高速微型光電檢測電路設計

摘要：本文分析了高速微型光電檢測電路具體項目的技術要求，提出了電路設計的功能及技術指標，合理地選擇了滿足快速性要求的電路結構和滿足電氣性能與物理性能要求的元器件，設計了精簡的二級三極管光電放大電路。通過測試，電路性能指標滿足項目的需要。

引言

　　現代技術的發(fā)展越來越系統(tǒng)化和標準化，同時，實際工程對技術的需求變得越來越多樣化和個性化。對于檢測技術也是這樣，標準化的展品越來越難以滿足個性化的現實需求，而定制產品可以更好地滿足某些個性化的工程需求。

1 性能要求

　　在某項目中，通過對項目需求的挖掘分析，提出了光電檢測前端的功能要求及技術指標。要求光電檢測的線性陣列的響應周期時間為11μs ~ 22μs，上升時間不大于10ns，陣列中每個光電檢測單元的中心間距不大于2mm。

2 分析

　　在光電檢測中，常用的元件有CCD(電荷耦合元件)、PD(光電二極管)、PT(光敏三極管)和APD(雪崩光電二極管)。其中，CCD由于信號串行輸出，響應速度很慢;PT的響應時間為10μs級;PD的響應時間為10ns級，而且價格比較便宜;APD技術性能優(yōu)異，但價格昂貴，物理尺寸大，很難做成規(guī)模較大的精密線陣。

　　硅光電二極管PD通常是用在光電導工作模式下。在無光照射條件下，若給PN結加一個適當的反向電壓，則反向電壓會加強內建電場，使得PN結空間電荷區(qū)拉寬，勢磊增大;當PD被光照射時，在PN結區(qū)產生的光生載流子將被加強了的內建電場拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是形成了以少數載流子漂移運動為主的光電流。光電流比無光照時的反向飽和電流大得多。相同條件下，光照越強，產生的載流子越多，光電流就越大。硅光電二極管PD的等效電路如圖1。

　　為提高設計效率，采用自下向上的模塊化方法。把一個硅光電二極管及其放大電路設計為一個基本單元電路，再把多個單元電路設計為一個光電檢測線性陣列。

3 元件選擇

　　通過分析項目約束，選擇硅光電二極管PD15-21B。PD15-21B的數據手冊的關鍵參數如表1所示。

　　硅光電二極管PD15-21B的有效感光面積為0.3mm²×0.3mm²。另外，硅光電二極管PD15-21B的電流-光照特性是顯著線性的，伏安特性的線性也較好，過度時間短，溫度漂移也較小。

　　所以硅光電二極管PD15-21B是理想的紅外光檢測元件，滿足項目的技術要求和經濟性要求。

　　放大電路的設計，既要滿足電氣性能要求，也要滿足物理性能要求。常用的有運算放大器放大電路和三極管放大電路。對于運算放大器放大電路(如圖 2所示)而言，一般的運算放大器的截止頻率太低，難以與光電二極管PD15-21B的上升時間和下降時間匹配，供電、外形尺寸和價格都較難滿足工程要求，所以無法使用。

　　對于三極管放大電路，由于三極管的放大倍數有限，所以單級放大電路難以輸出標準的電平供后續(xù)電路進行邏輯處理。所以采用兩級三極管放大電路較為合理。

　　選擇Philips Semiconductors生產的BCM847BV雙NPN三極管，其單管的直流放大倍數典型值為250(V_CE = 5 V; I_C = 10 μA)，截止頻率典型值為250MHz(最小值為100MHz)，雙管為SOT666封裝，外輪廓線最大為1.7mm²×1.7mm²。

4 電路設計

　　用硅光電二極管PD15-21B作為敏感元件，BCM847BV作為放大元件，構成的光電檢測電路如圖3所示。當PD未被激光束照射時，T1截止，T2基極正偏，T2導通，輸出Vo為低電平;當PD被激光束照射時，T1導通，T2基極反偏，T2截止，Vo輸出為高電平。

　　本單元電路在項目中所構成的光電線性陣列前端，其中橫向陣列局部的PCB板圖如圖4所示。每一個單元電路的寬度為2mm。

5 實驗

　　一個寬度為9mm的遮光器，以200m/s的速度遮斷照射一個單元電路的PD15-21B的紅外激光束，并測試放大電路的輸出。此實驗相當于在PD上形成一個寬度為44.8μs，上升時間和下降時間均為1.5ns的暗光脈沖，經過光電轉換、放大和計算，期望的理想輸出一個寬度為44.8μs，上升時間和下降時間均為1.5ns的高電平脈沖。放大電路的輸出波形(根據示波器波形繪制)如圖 5所示。放大電路的性能指標如表 2所示。

　　實測波形前沿比較陡峭，上升時間為6ns，完全滿足10ns的要求。脈沖寬度與設想一致。輸出高電平為5V，低電平近似0V，非常理想，適合后續(xù)電路并行處理。

6 結論

　　用硅光電二極管PD15-21B作為敏感元件，BCM847BV作為放大元件，構成的光電檢測電路精簡、靈敏度高、過度時間短且輸出TTL電平的物理尺寸非常小，所構成的線性陣列電路性能指標完全滿足項目的要求。

參考文獻：

　　[1]許衛(wèi)春,徐可欣,賀忠海.光電測試系統(tǒng)的性能分析[J].傳感技術學報:2004,12(4).

　　[2]曾光宇,張志偉,張存林.光電檢測技術(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2009:62.

　　[3]李常青,梅欣麗,明奇,微弱光信號檢測電路的實現[J].應用光學:2010, 31(5).

　　[4]左涵之,甘若馨.光電位置傳感器測量精度的改進[J].電子技術:2010(9).

　　[5]占建明,汶德勝,王宏,等.基于光電二極管的前置放大電路噪聲分析[J].集成電路設計與應用:2011,36(4).

　　[6]黃遷,張濤,鄭偉波.基于FPGA的光電二極管陣列驅動設計[J].科學技術與工程:2011,11(16).

　　[7]王昊,賴康生.基于DSP的光電二極管陣列信號采集系統(tǒng)設計[J].工業(yè)控制計算機,2011,24(5).

　　[8]陳增標,李志銳.自掃描光電二極管陣列的輸出信號探討[J].內江科技:2011(6).

[9]Soetedjo, A.,Nurcahyo, E.,Nakhoda, Y.I. Position measurement using atomic force microscopy. Electrical Engineering and Informatics (ICEEI), 2011 International Conference. July 2011,1-5.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第5期第48頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。